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2 – SYSTEMES TERMINAUX DE CONVERSION D’ENERGIE
ELECTRIQUE
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2- 4 Fonction acquérir les données
Electrotechnique
Mesure de la température
Le choix du type de capteur de température dépend de l’application. Les capteurs de
température les plus courant sont : les capteurs à résistance (Pt100 et CTN), les
thermocouples, et thermomètres à rayonnement (capteurs à infrarouge).
1- Thermométrie par résistance : La PT100
1-1 Principe:
La résistance que présente les conducteurs électriques vis-à-vis d'un courant électrique
est fonction de leur température. Si le rapport est prévisible, régulier et stable, ce phénomène
peut être utilisé comme moyen de mesure de température. Certains métaux remplissent ces
conditions, dont le cuivre, l'or, le nickel, le platine et l'argent.
Le platine réunit les caractéristiques qui le rendent propice à la thermométrie par
résistance. Il possède une large échelle de température, une résistivité plus de six fois
supérieure à celle du cuivre, et un coefficient résistance/température acceptable bien que non
linéaire.
La relation entre la résistance du thermomètre et la température peut être représentée
par l'équation suivante:
Rt
= 1 + At + Bt2
R0
Rt : Résistance du thermomètre à la température t
R0: Résistance du thermomètre à O°C
t : température (°C)
A et B sont des coefficients déterminés par étalonnage
Pour les thermomètres à résistance platine disponibles dans le commerce, des tables de
référence de résistance/température ont été établies sur la base d'une valeur R de 100 ohms
et d'un intervalle fondamental ( R100- R0) de 38.5 ohms.
1-2 Types de sondes:
Il existe un grand choix de sondes de types et de styles
différents.
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2- 4 Fonction acquérir les données
Electrotechnique
Mesure de la température
Une autre méthode de fabrication consiste à déposer le platine sous forme de film mince
sur un support approprié. De cette façon, l'élément peut ensuite être collé sur une surface
plane ou cylindrique.
Eléments plats
Eléments cylindriques
Les sondes à résistance conviennent à la mesure de température dans une large étendue qui
peut aller de -200°C à +600°C suivant l'élément de mesure et le type de montage. Les
éléments thermorésistants offrent des caractéristiques de plus grande précision, de stabilité
plus élevée que les thermocouples et engendrent des frais de câblage réduits.
1-3 Méthodes de mesure:
Certains systèmes utilisent une source de courant constante. il suffit alors de mesurer la
tension aux bornes de la résistance. Un autre solution consiste à utiliser un Pont de
Wheatstone:
PT100 : 2 fils
Pont de Wheatstone:
La source doit avoir une tension constante.
La variation de Rt génère une tension à la sortie du
pont qu'il suffit de mesurer.
Le montage simple à deux fils est utilisé lorsqu'une
haute précision n'est pas nécessaire.
La résistance des cordons de raccordement
s'ajoute à celle de la sonde.
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Electrotechnique
Mesure de la température
Avec une source de courant :
+
RL
V1
I
I
V2
PT100
Ze
RL
I
PT100 Input board
Avantage : faible coût des sondes,
moins de fils à câbler, et
éventuellement carte moins chère.
Inconvénient : la mesure est faussée:
La tension mesurée par la carte ( V2 )
est supérieure à la tension existant aux
bornes de la sonde (V1) à cause des
chutes de tension dans les résistances
de ligne ( RL ).
Avec des fils de 2 mm2 de section, la
mesure est sensiblement faussée avec
une longueur de ligne de quelques
mètres seulement.
Exemple de calcul d'erreur due à la
longueur de ligne:
Soit une PT100 2 fils installée à 50 m de l'automate, fils de cuivre de 1 mm2.
La température de la sonde est 100 ° C.; quelle est la température mesurée par la carte
analogique ?
La résistance de ligne est de 2 Ω. La résistance mesurée par la carte est donc celle de la
sonde plus celle de la ligne soit 138,5 Ω + 2 Ω = 140.5 Ω, ce qui correspond à une température
de 105 ° C.
L'erreur de mesure due à la ligne est de l'ordre de 5 %.
Elle est à peu près constante sur la plage de 0 à 600 °C.
PT100 : 3 fils
Pont de Wheatstone:
Sur ce schéma, les deux fils de la sonde sont
disposés de part et d'autre du pont et ainsi
s'annulent effectivement, tandis que le troisième
fil joue le rôle de câble d alimentation.
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Mesure de la température
Avec une source de courant :
+
RL
V1
I
I
I
PT100
I
V1
Ze
RL
RL
2I
PT100 Input board
Les 2 sources de courant sont
appariées, le troisième fil de la sonde
sert au retour de la somme des 2
courants. L'impédance d'entrée de
l'étage analogique (Ze) étant très
grande, la tension mesurée (V1) est
la même que sur la sonde (les
valeurs des résistances RL sont
voisines, les chutes de tension dans
les fils sont les mêmes mais de signe
opposé : elles s'annulent).
La résistance du fil de retour est ici
indifférente, à condition que ce fil
parte bien de la sonde
Câbles appariés:
Si on veut une grande précision, les câbles de liaison seront des câbles appariés : le fabricant
les propose en garantissant une résistance identique dans les fils. Ils sont plus chers que des
câbles ordinaires.
Avantage des PT100 3 fils :
- Bonne précision, bien meilleure que pour les montages avec PT100 2 fils.
- Moins cher à câbler que les PT100 4 fils.
Inconvénients :
- Précision moindre qu'avec un montage 4 fils, et bien sûr plus cher que le montage 2 fils.
PT100 : 4 fils
Pont de Wheatstone:
La disposition en quatre fils peut être
utilisée pour créer des effets d'annulation
avec une technique de mesure de type
pont.
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Mesure de la température
Avec une source de courant :
+
RL
V1
PT100
I
I
RLx
RLx
V1
Ze
RL
I
PT100 Input board
Avantage:
- c'est le montage donnant la meilleure précision
Inconvénient:
- c'est le montage le plus cher.
La tension aux bornes de l'entrée est la
même que celle aux bornes de la
sonde.
La chute de tension due aux
résistances RLX est négligeable ( Ze
très grande ).
On peut utiliser une sonde 2 fils sur
une carte conçue pour des sondes 4
fils en faisant les ponts appropriés sur
la carte, mais la mesure sera faussée.
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Mesure de la température
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Mesure de la température
CAPTEUR DE TEMPERATURE Pt 100 ohms - SERIE TS
- Pt 100 Ohms à 0 °C
- Plage de mesure -50 à +250 °C
- Plongeur et raccord Inox 316L
- Tête industrielle
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2- 4 Fonction acquérir les données
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Mesure de la température
2- Thermométrie par thermocouple
2-1 Principe:
Le principe de fonctionnement des thermocouples est essentiellement basé sur l'effet
SEEBECK. Lorsqu’un écart de température se produit le long d’un fil, il se produit un transfert
de charge. L’importance du transfert de charge dépend des caractéristiques électriques du
matériau choisi. Lorsque deux fils de matériaux différents sont soudés à une extrémité et
qu’un écart de température se produit, une FEM se forme aux deux extrémités libres. Cette
tension dépend de l’écart de température le long des deux fils.
Un thermocouple est constitué de deux conducteurs en métaux de caractéristiques
thermoélectriques différentes. Ces deux conducteurs A et B, placés dans la situation de
gradient thermique quelconque produiront une tension de sortie mesurable. La F.E.M est de
l'ordre de quelques µV à quelques dizaines de mV.
2-2 Type de sonde:
On peut facilement réaliser un thermocouple
simple à partir de deux longueurs de
Jonction chaude
conducteurs que l'on protège par des isolateurs
en céramique.
La jonction de mesure (Jonction chaude) est
formée à l'une des extrémités en soudant les
fils entre eux.
A l'autre extrémité, chaque conducteur est
raccordé à un fil de cuivre formant la jonction
de référence (jonction froide).
Jonction froide
Isolateurs céramiques
Souvent, les thermocouples sont placés dans
une gaine métallique ou en matériau réfractaire.
Un thermocouple produit donc une fem en rapport
Jonction chaude
avec les températures de ses deux jonctions
(jonction de mesure, chaude et jonction de référence,
froide).
Si la jonction de référence est maintenue à une température fixe et connue, la température de
la jonction de mesure peut être déduite de la fem du thermocouple. Il existe des tables de
correspondance pour chaque combinaison de thermocouple qui établissent le rapport entre la
tension de sortie et la température du couple de mesure, si la jonction de référence est
maintenue à 0°C.
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Mesure de la température
L'utilisation d'une référence "point de glace" ou de son équivalent est pratique du fait que les
tables de correspondance pour thermocouples sont basées sur une température de référence
de O°C..
Si la température de référence n'est pas de 0°C, il faudra tenir compte de cette différence
et la compenser. Le calcul devra être effectué en utilisant les valeurs de tensions:
EO = Em + Er
EO : tension requise, devant être recherchée dans les tableaux de correspondance pour
obtenir la température de la jonction de mesure.
Em : tension de sortie mesurée à partir d'un thermocouple avec sa température de référence
de fonctionnement.
Er : tension donnée par les tableaux de correspondance pour un thermocouple fonctionnant à
la température de fonctionnement.
Exemple: On désire connaître la température de la jonction de mesure d'un thermocouple de
type K fonctionnant avec une température ambiante de 21°C.
Les tables de correspondance donnent pour une température de la jonction de référence de
21°C : Er = 0,838 mV
La tension de sortie du thermocouple mesurée est Em =10,097 mV= K(Tf-Ta).
Soit d’après le tableau de la jonction type K => Tf-Ta = 249°C
Donc Tf = 249 + Ta = 249 + 21 =270°C
Ou
EO = Em + Er = 10,097 + 0,838 =10,935mV
En se référant de nouveau aux tables de correspondance pour un thermocouple de type K,
10,935 mV donne une température de là jonction de mesure de 270°C par rapport au point de
glace.
2-3 Méthodes de mesure:
Etant donné qu'un thermocouple est un
générateur électrique, la tension qu'il développe
peut être utilisée pour alimenter un microvoltmètre.
La température des points de connexion du thermocouple au microvoltmètre faisant
office de température de référence, il est nécessaire de compenser cette température pour
ramener la mesure de référence à O°C.
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Mesure de la température
Méthode potentiométrique :
La méthode potentiométrique est le moyen classique
servant à déterminer la tension.
En cours de fonctionnement, la tension provenant du
thermocouple est balancée de façon précise en
ajustant la résistance variable R jusqu'à ce que
l'indicateur I marque le zéro. La résistance variable
est calibrée selon des valeurs de tension
appropriées.
Chaque tension est convertie en température à l'aide des tables de correspondance. Cette
méthode est précise, fiable, facile à mettre en oeuvre et à utiliser.
Amplificateurs:
Le développement des circuits intégrés a permis la fabrication d'amplificateurs
miniaturisés parfaitement stables. De tels circuits sont souvent intégrés dans les appareils à
usage spécifique qui peuvent être des voltmètres à affichage numérique ou des indicateurs de
températures numériques.
2-4 Câbles d'extension :
Ce sont des câbles de même nature que le thermocouple utilisé; il permettent de prolonger la
ligne sans dégradation de performance (ils ne créent pas de F.E.M parasite).On leur préfère
les câbles de compensation qui sont moins chers.
2-5 Câbles de compensation:
Une sonde à thermocouple est réalisée par 2 fils de natures différentes avec des garanties de
pureté; ces fils sont chers, les sondes ont donc une longueur réduite.
Pour augmenter la distance de raccordement, on peut utiliser des câbles dits de
compensation: ils sont constitués de métaux différents de ceux de la sonde, et moins chers.
Ils garantissent l'obtention de la même F.E.M à condition de respecter les préconisations du
fabricant (plage de mesure plus faible, température du bornier intermédiaire maximale à
respecter : 80 °C ).
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Mesure de la température
2-6 Différents type de thermocouple et matériaux
Type
Couple
T
Cuivre
Cuivre Nickel
(Constantan)
Couleur (IEC 5843, depuis 1985)
Brun / Blanc
Température
(°C)
-40 / +350
Noir / Blanc
-40 / +750
Violet / Blanc
-40 / +900
Vert / Blanc
-40 / +1200
J
Fer
E
Nickel Chrome Cuivre Nickel
(Constantan)
K
Nickel Chrome Nickel Aluminium
S
Platine
10% Rhodium
Platine
Orange / Blanc
0 / +1600
R
Platine
13% Rhodium
Platine
Orange / Blanc
0 / +1600
Cuivre Nickel
(Constantan)
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TABLES DE REFERENCE INTERNATIONALES POUR THERMOCOUPLES
Table du thermocouple de type J
tension en mV
°C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
0.000
0.507
1.019
1.537
2.059
2.585
3.116
3.650
4.187
4.726
1
0.050
0.558
1.071
1.589
2.111
2.638
3.169
3.703
4.240
4.781
2
0.101
0.609
1.122
1.641
2.164
2.691
3.222
3.757
4.294
4.835
3
0.151
0.660
1.174
1.693
2.216
2.744
3.275
3.810
4.348
4.889
4
0.202
0.711
1.226
1.745
2.269
2.797
3.329
3.864
4.402
4.943
5
0.253
0.762
1.277
1.797
2.322
2.850
3.382
3.918
4.456
4.997
6
0.303
0.814
1.329
1.849
2.374
2.903
3.436
3.971
4.510
5.052
7
0.354
0.865
1.381
1.902
2.427
2.956
3.489
4.025
4.564
5.106
8
0.405
0.916
1.433
1.954
2.480
3.009
3.543
4.079
4.618
5.160
9
0.456
0.968
1.485
2.006
2.532
3.062
3.596
4.133
4.672
5.215
10
0.507
1.019
1.537
2.059
2.585
3.116
3.650
4.187
4.726
5.269
°C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
5.269
5.814
6.360
6.909
7.459
8.010
8.562
9.115
9.669
10.224
5.323
5.868
6.415
6.964
7.514
8.065
8.618
9.171
9.725
10.279
5.378
5.923
6.470
7.019
7.569
8.120
8.673
9.226
9.780
10.335
5.432
5.977
6.525
7.074
7.624
8.175
8.728
9.282
9.836
10.390
5.487
6.032
6.579
7.129
7.679
8.231
8.783
9.337
9.891
10.446
5.541
6.087
6.634
7.184
7.734
8.286
8.839
9.392
9.947
10.501
5.595
6.141
6.689
7.239
7.789
8.341
8.894
9.448
10.002
10.557
5.650
6.196
6.744
7.294
7.844
8.396
8.949
9.503
10.057
10.612
5.705
6.251
6.799
7.349
7.900
8.452
9.005
9.559
10.113
10.668
5.759
6.306
6.854
7.404
7.955
8.507
9.060
9.614
10.168
10.723
5.814
6.360
6.909
7.459
8.010
8.562
9.115
9.669
10.224
10.779
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
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TABLES DE REFERENCE INTERNATIONALES POUR THERMOCOUPLES
Table du thermocouple de type J
tension en mV
°C
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
°C
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
1.441
1.526
1.612
1.698
1.786
1.874
1.962
2.052
2.141
2.232
1.449
1.534
1.620
1.707
1.794
1.882
1.971
2.061
2.151
2.241
1.458
1.543
1.629
1.716
1.803
1.891
1.980
2.070
2.160
2.250
1.466
1.551
1.638
1.724
1.812
1.900
1.989
2.078
2.169
2.259
1.475
1.560
1.646
1.733
1.821
1.909
1.998
2.087
2.178
2.268
1.483
1.569
1.655
1.742
1.829
1.918
2.007
2.096
2.187
2.277
1.492
1.577
1.663
1.751
1.838
1.927
2.016
2.105
2.196
2.287
1.500
1.586
1.672
1.759
1.847
1.936
2.025
2.114
2.205
2.296
1.509
1.594
1.681
1.768
1.856
1.944
2.034
2.123
2.214
2.305
1.517
1.603
1.690
1.777
1.865
1.953
2.043
2.132
2.223
2.314
1.526
1.612
1.698
1.786
1.874
1.962
2.052
2.141
2.232
2.323
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
2.323
2.415
2.507
2.599
2.692
2.786
2.880
2.974
3.069
3.164
2.332
2.424
2.516
2.609
2.702
2.795
2.889
2.983
3.078
3.173
2.341
2.433
2.525
2.618
2.711
2.805
2.899
2.993
3.088
3.183
2.350
2.442
2.534
2.627
2.720
2.814
2.908
3.002
3.097
3.192
2.360
2.451
2.544
2.636
2.730
2.823
2.917
3.012
3.107
3.202
2.369
2.461
2.553
2.646
2.739
2.833
2.927
3.021
3.116
3.212
2.378
2.470
2.562
2.655
2.748
2.842
2.936
3.031
3.126
3.221
2.387
2.479
2.571
2.664
2.758
2.851
2.946
3.040
3.135
3.231
2.396
2.488
2.581
2.674
2.767
2.861
2.955
3.050
3.145
3.240
2.405
2.497
2.590
2.683
2.776
2.870
2.965
3.059
3.154
3.250
2.415
2.507
2.599
2.692
2.786
2.880
2.974
3.069
3.164
3.259
300
310
320
330
340
350
360
370
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2 – SYSTEMES TERMINAUX DE CONVERSION D’ENERGIE
ELECTRIQUE
STI GE
Lycée RENAUDEAU
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2- 4 Fonction acquérir les données
Electrotechnique
Mesure de la température
TABLES DE REFERENCE INTERNATIONALES POUR THERMOCOUPLES
Table du thermocouple de type K
tension en mV
°C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
0.000
0.397
0.798
1.203
1.612
2.023
2.436
2.851
3.267
3.682
1
0.039
0.437
0.838
1.244
1.653
2.064
2.478
2.893
3.308
3.723
2
0.079
0.477
0.879
1.285
1.694
2.106
2.519
2.934
3.350
3.765
3
0.119
0.517
0.919
1.326
1.735
2.147
2.561
2.976
3.391
3.806
4
0.158
0.557
0.960
1.366
1.776
2.188
2.602
3.017
3.433
3.848
5
0.198
0.597
1.000
1.407
1.817
2.230
2.644
3.059
3.474
3.889
6
0.238
0.637
1.041
1.448
1.858
2.271
2.685
3.100
3.516
3.931
7
0.277
0.677
1.081
1.489
1.899
2.312
2.727
3.142
3.557
3.972
8
0.317
0.718
1.122
1.530
1.941
2.354
2.768
3.184
3.599
4.013
9
0.357
0.758
1.163
1.571
1.982
2.395
2.810
3.225
3.640
4.055
10
0.397
0.798
1.203
1.612
2.023
2.436
2.851
3.267
3.682
4.096
°C
0
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4.096
4.509
4.920
5.328
5.735
6.138
6.540
6.941
7.340
7.739
4.138
4.550
4.961
5.369
5.775
6.179
6.580
6.981
7.380
7.779
4.179
4.591
5.002
5.410
5.815
6.219
6.620
7.021
7.420
7.819
4.220
4.633
5.043
5.450
5.856
6.259
6.660
7.060
7.460
7.859
4.262
4.674
5.084
5.491
5.896
6.299
6.701
7.100
7.500
7.899
4.303
4.715
5.124
5.532
5.937
6.339
6.741
7.140
7.540
7.939
4.344
4.756
5.165
5.572
5.977
6.380
6.781
7.180
7.579
7.979
4.385
4.797
5.206
5.613
6.017
6.420
6.821
7.220
7.619
8.019
4.427
4.838
5.247
5.653
6.058
6.460
6.861
7.260
7.659
8.059
4.468
4.879
5.288
5.694
6.098
6.500
6.901
7.300
7.699
8.099
4.509
4.920
5.328
5.735
6.138
6.540
6.941
7.340
7.739
8.138
100
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130
140
150
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STI GE
2 – SYSTEMES TERMINAUX DE CONVERSION D’ENERGIE
Lycée RENAUDEAU
ELECTRIQUE
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2- 4 Fonction acquérir les données
Electrotechnique
Mesure de la température
°C
0
1
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4
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°C
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8.138
8.539
8.940
9.343
9.747
10.153
10.561
10.971
11.382
11.795
8.178
8.579
8.980
9.383
9.788
10.194
10.602
11.012
11.423
11.836
8.218
8.619
9.020
9.423
9.828
10.235
10.643
11.053
11.465
11.877
8.258
8.659
9.061
9.464
9.869
10.276
10.684
11.094
11.506
11.919
8.298
8.699
9.101
9.504
9.909
10.316
10.725
11.135
11.547
11.960
8.338
8.739
9.141
9.545
9.950
10.357
10.766
11.176
11.588
12.001
8.378
8.779
9.181
9.585
9.991
10.398
10.807
11.217
11.630
12.043
8.418
8.819
9.222
9.626
10.031
10.439
10.848
11.259
11.671
12.084
8.458
8.860
9.262
9.666
10.072
10.480
10.889
11.300
11.712
12.126
8.499
8.900
9.302
9.707
10.113
10.520
10.930
11.341
11.753
12.167
8.539
8.940
9.343
9.747
10.153
10.561
10.971
11.382
11.795
12.209
200
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220
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240
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260
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280
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330
340
350
360
370
380
390
12.209
12.624
13.040
13.457
13.874
14.293
14.713
15.133
15.554
15.975
12.250
12.665
13.081
13.498
13.916
14.335
14.755
15.175
15.596
16.017
12.291
12.707
13.123
13.540
13.958
14.377
14.797
15.217
15.638
16.059
12.333
12.748
13.165
13.582
14.000
14.419
14.839
15.259
15.680
16.102
12.374
12.790
13.206
13.624
14.042
14.461
14.881
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15.722
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13.248
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14.084
14.503
14.923
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15.764
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12.457
12.873
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13.707
14.126
14.545
14.965
15.385
15.806
16.228
12.499
12.915
13.331
13.749
14.167
14.587
15.007
15.427
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16.270
12.540
12.956
13.373
13.791
14.209
14.629
15.049
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15.891
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12.582
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14.251
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STI GE
2 – SYSTEMES TERMINAUX DE CONVERSION D’ENERGIE
Lycée RENAUDEAU
ELECTRIQUE
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2- 4 Fonction acquérir les données
Electrotechnique
Mesure de la température
3- Conclusion :
On peut dire que :
Les thermocouples sont très rapides et possède une grande étendue de mesure.
Les capteurs à résistance sont plus lents, mais plus précis.
Plus l'étendue de mesure est grand, plus les possibilités d'utilisation sont universelles.
Critères de sélection :
Choisissez le capteur de température qui convient à votre application selon les critères
suivants
- Plage de mesure
- Précision
- Temps de réponse
- Résistance à l'environnement
- Construction
Méthode
Thermométrie par Thermocouple
Avantages
Large échelle de température. Souplesse d'utilisation. Mise en
œuvre facile, la température est celle d'un point précis: la jonction chaude.
Nécessité d'une compensation de température. Nécessite des câbles
Inconvénients d'extension ou de compensation pour les grandes longueurs. Une grande
minutie est nécessaire pour les mesures de haute précision.
Méthode
Thermométrie par Résistance
Avantages
Potentiellement la méthode la plus précise. Simplicité de mise en œuvre. Ne
nécessite que des câbles en cuivre pour la connexion aux appareils de
mesure.
Nécessite une alimentation. Les sondes de haute précision doivent être
Inconvénients manipulées avec soin. Elément sensible plus volumineux qu'une jonction
chaude de thermocouple.